JP7349655B2 - projection device - Google Patents

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Description

本発明は、距離測定のための投射装置に関するものである。 The present invention relates to a projection device for distance measurement.

従来より、距離測定方式として、光源の光に振幅変調を行い被測定物からの反射光と光源との位相差を測定する位相差検出方式や、極短パルスの光を照射して被測定物の反射光の到達時間を測定することで距離を測定するTOF(Time Of Flight)方式が知られている。 Conventionally, distance measurement methods include phase difference detection methods, which perform amplitude modulation on the light from a light source and measure the phase difference between the light reflected from the object under test and the light source, and irradiate extremely short pulses of light to measure the phase difference between the light source and the object to be measured. The TOF (Time of Flight) method is known, which measures distance by measuring the arrival time of reflected light.

ここで、測定可能な距離を長くするとともに測定精度を高めようとすると、小型高出力で、高周波の変調又は非常に短いパルス波形を得るために、光源として半導体レーザを使用する必要がある。 Here, in order to increase the measurable distance and increase the measurement accuracy, it is necessary to use a semiconductor laser as a light source in order to obtain high frequency modulation or a very short pulse waveform with a small size and high output.

レーザ光源の使用については、人体や目に対する安全性の観点から、日本国内では、JIS-C6802で規定されている。特に、人の目に光が入る可能性がある場合には、一般的に、クラス1の条件を満たす必要がある。 The use of laser light sources is regulated in Japan by JIS-C6802 from the viewpoint of safety for the human body and eyes. In particular, if there is a possibility that light may enter people's eyes, it is generally necessary to satisfy the conditions of class 1.

ここで、クラス1の条件を満たして、レーザ光源の出力を上げるためには、投射装置の射出面に配置された拡散板において、レーザ光のビーム径を大きくする必要がある。 Here, in order to satisfy the conditions of class 1 and increase the output of the laser light source, it is necessary to increase the beam diameter of the laser light in the diffuser plate disposed on the exit surface of the projection device.

具体的に、投射装置の射出面におけるビーム径が小さい場合には、人が投射装置を見たときに、目の網膜にできる光源像も小さくなって光集中が高くなり、目に損傷を与えやすい。これを防ぐためには、投射装置の射出面のビーム径を大きくすることで、網膜にできる光源像を大きくすればよい。これにより、目に損傷を与えることなく、レーザ光源の光出力の最大値を大きくすることができる。 Specifically, if the beam diameter at the exit surface of the projection device is small, when a person looks at the projection device, the light source image formed on the retina of the eye will also become smaller, increasing the concentration of light and causing damage to the eyes. Cheap. In order to prevent this, the light source image formed on the retina can be made larger by increasing the beam diameter of the exit surface of the projection device. Thereby, the maximum value of the light output of the laser light source can be increased without causing damage to the eyes.

ところで、従来のレーザ投射装置として、半導体レーザの射出部の窓に拡散板が配置された構成のものがある(例えば、特許文献1参照)。 By the way, as a conventional laser projection device, there is one having a configuration in which a diffuser plate is disposed in a window of an emission part of a semiconductor laser (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1の発明では、レーザ光源からの射出光は、凹レンズで拡散拡大され、拡散板に光が投射される。拡散板では、光が等方向に拡散される。凹レンズを用いることで、拡散板でのビーム径が大きくなるようにしている。 In the invention of Patent Document 1, light emitted from a laser light source is diffused and expanded by a concave lens, and the light is projected onto a diffuser plate. In the diffuser plate, light is diffused in the same direction. By using a concave lens, the beam diameter at the diffuser plate is increased.

ここで、レーザ光源のビーム径は、数μmと非常に小さいが、凹レンズと拡散板を用いることで、拡散板上にレーザ光源の射出面でのビーム径より非常に大きなビーム径を形成することになる。 Here, the beam diameter of the laser light source is very small, several μm, but by using a concave lens and a diffuser plate, it is possible to form a beam diameter on the diffuser plate that is much larger than the beam diameter at the exit surface of the laser light source. become.

これにより、人がレーザをのぞいたときに、目の網膜に形成される光源の像が大きくなるので、目に損傷を与えることなく、レーザ出力の上限を大きくすることができる。 As a result, when a person looks into the laser, the image of the light source formed on the retina of the eye becomes larger, so the upper limit of the laser output can be increased without causing damage to the eyes.

特開平9-307174号公報Japanese Patent Application Publication No. 9-307174

ところで、従来の発明では、レーザ光源の射出光を凹レンズで広げて拡散板に照射しているため、レーザ光源の見掛けのビーム径を大きくするには、拡散板の拡散性を非常に高くする必要がある。 By the way, in conventional inventions, the emitted light from the laser light source is spread by a concave lens and irradiated onto the diffuser plate, so in order to increase the apparent beam diameter of the laser light source, it is necessary to make the diffusivity of the diffuser plate extremely high. There is.

具体的に、拡散板の中央部分では、拡散板の入射面に略垂直に光が入射するが、周辺部では、拡散板の入射面に斜めに入射する。そのため、拡散板の中央部と周辺部で同様な拡散光を射出させるには、入射光の角度に依存しないぐらいに拡散性を強くしないといけない。 Specifically, in the central portion of the diffuser plate, light enters the incident surface of the diffuser plate substantially perpendicularly, but in the peripheral portion, light enters the incident surface of the diffuser plate obliquely. Therefore, in order to emit similar diffused light at the center and periphery of the diffuser plate, the diffusivity must be strong enough to be independent of the angle of incident light.

また、レーザ光源の拡散板上での見掛けのビーム径が小さいと、光源の輝度が高くなり、人が投射装置を見たときに、目に損傷を与えてしまうことになる。そのため、投射装置のレーザ安全性を確保するには、非常に拡散性の高い拡散板を用いて、拡散板の面での見掛けのビーム径を大きくする必要がある。 Furthermore, if the apparent beam diameter of the laser light source on the diffuser plate is small, the brightness of the light source will be high, which may cause damage to the eyes of people looking at the projection device. Therefore, in order to ensure the laser safety of the projection device, it is necessary to use a diffuser plate with extremely high diffusivity to increase the apparent beam diameter at the surface of the diffuser plate.

しかしながら、一般的なスリガラス状の拡散板では、光をスリガラス部分で多重反射させることで光拡散を行うため、光拡散性を高くすると拡散面からレーザ光源側へ戻る光の割合が大きくなり、光利用効率が大幅に低下してしまう。 However, with a typical ground glass diffuser, light is diffused by multiple reflections on the ground glass portion, so increasing the light diffusivity increases the proportion of light that returns from the diffuser surface to the laser light source. Utilization efficiency will drop significantly.

また、拡散性の高い拡散板の拡散特性は、一般的にはランバート拡散となり、斜め方向への光が弱くなってしまう。さらに、平板の拡散面であるので、180°以上の光拡散が行えないという課題を有している。 Furthermore, the diffusion characteristics of a highly diffusive diffusion plate are generally Lambertian diffusion, which weakens light in oblique directions. Furthermore, since the diffusion surface is a flat plate, there is a problem in that light cannot be diffused over 180 degrees.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡散板での光ロスが小さく、均一で広い放射角の光を射出できる投射装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to provide a projection device that can emit uniform light with a wide radiation angle and a small light loss at the diffuser plate.

第1の発明は、投射装置を対象とし、第1面、第2面、及び第3面を有する三角形状のプリズムと、前記プリズムの前記第1面に光を射出する光源と、前記プリズムの前記第2面及び前記第3面にそれぞれ対向して配置された2つの拡散板とを備え、前記プリズムの前記第2面及び前記第3面がなす頂角は、5°以上90°以下であることを特徴とするものである。 A first invention is directed to a projection device, and includes a triangular prism having a first surface, a second surface, and a third surface, a light source that emits light to the first surface of the prism, and a light source that emits light to the first surface of the prism. two diffusers disposed opposite to the second surface and the third surface, respectively, and the apex angle formed by the second surface and the third surface of the prism is 5° or more and 90° or less. It is characterized by certain things.

第2の発明は、第1の発明において、前記拡散板の拡散面は、前記プリズムと対向する側に設けられ、前記拡散板における前記拡散面と反対側の面は、平面状に形成されていることを特徴とするものである。 In a second aspect of the present invention, in the first aspect, a diffusion surface of the diffusion plate is provided on a side facing the prism, and a surface of the diffusion plate opposite to the diffusion surface is formed in a planar shape. It is characterized by the presence of

第3の発明は、第2の発明において、前記拡散板の拡散面は、凹部と凸部とが隣接して複数配置された溝状に形成されていることを特徴とするものである。 A third invention is based on the second invention, wherein the diffusion surface of the diffusion plate is formed in the shape of a groove in which a plurality of concave portions and convex portions are arranged adjacent to each other.

第4の発明は、第3の発明において、前記プリズムは、断面形状が一定となった押し出し形状に形成され、前記拡散板の拡散面の溝部は、前記プリズムの押し出し方向と略平行に延びていることを特徴とするものである。 A fourth invention is based on the third invention, wherein the prism is formed in an extruded shape with a constant cross-sectional shape, and the groove portion of the diffusion surface of the diffusion plate extends substantially parallel to the extrusion direction of the prism. It is characterized by the presence of

第5の発明は、第3又は第4の発明において、前記拡散板の溝方向に略平行な方向の光拡散角が、該拡散板の溝方向に略垂直な方向の光拡散角よりも小さいことを特徴とするものである。 A fifth invention is based on the third or fourth invention, wherein a light diffusion angle in a direction substantially parallel to the groove direction of the diffusion plate is smaller than a light diffusion angle in a direction substantially perpendicular to the groove direction of the diffusion plate. It is characterized by this.

第6の発明は、第1乃至第5の発明のうち何れか1つにおいて、前記2つの拡散板は、所定の隙間をあけて配置されていることを特徴とするものである。 A sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, the two diffusion plates are arranged with a predetermined gap between them.

第7の発明は、第1乃至第6の発明のうち何れか1つにおいて、前記2つの拡散板の光の広がり角は、それぞれ90°以上であることを特徴とするものである。 A seventh invention is characterized in that, in any one of the first to sixth inventions, the light spread angles of the two diffusion plates are each 90° or more.

第8の発明は、第1乃至第7の発明のうち何れか1つにおいて、前記光源、前記プリズム、及び前記2つの拡散板の外側に配置された透明カバーを備え、前記透明カバーは、前記拡散板の射出光が入射し且つ該拡散板と対向する略平行な面を有することを特徴とするものである。 An eighth invention is the light source, the prism, and a transparent cover disposed outside the two diffusion plates in any one of the first to seventh inventions, and the transparent cover includes a It is characterized by having a substantially parallel surface on which the light emitted from the diffuser plate enters and faces the diffuser plate.

第9の発明は、第1乃至第8の発明のうち何れか1つにおいて、前記光源は、レーザ光源であることを特徴とするものである。 A ninth invention is characterized in that in any one of the first to eighth inventions, the light source is a laser light source.

本発明によれば、拡散板での光ロスが小さく、均一で広い放射角の光を射出することができる。 According to the present invention, light loss at the diffuser plate is small, and light can be uniformly emitted with a wide radiation angle.

本実施形態に係るレーザ投射装置の構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser projection device according to the present embodiment. 拡散板の構成を一部拡大して示す断面図である。FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of a diffuser plate. レーザ投射装置の光線を示す図である。It is a figure showing the light beam of a laser projection device. 拡散板での屈折による光拡散を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing light diffusion due to refraction at a diffuser plate. プリズムの斜面からの射出光の放射角分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the radiation angle distribution of light emitted from the slope of a prism. 拡散板の射出光の放射角分布を示す図である。It is a figure which shows the radiation angle distribution of the emitted light of a diffuser plate. 拡散板の光束を重ね合わせたときの、レーザ投射装置としての放射角分布を示す図である。It is a figure which shows the radiation angle distribution as a laser projection apparatus when the light flux of a diffuser plate is superimposed.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. Note that the following description of preferred embodiments is essentially just an example, and is not intended to limit the present invention, its applications, or its uses.

図1は、本実施形態に係るレーザ投射装置の模式図である。図1において、紙面右手方向をX軸、上方向をY軸、紙面奥行き方向をZ軸とする。 FIG. 1 is a schematic diagram of a laser projection device according to this embodiment. In FIG. 1, the right-hand direction in the paper is the X-axis, the upward direction is the Y-axis, and the depth direction in the paper is the Z-axis.

図1に示すように、レーザ投射装置100は、レーザ光源101と、プリズム102と、拡散板106及び拡散板111と、透明ケース112とを備えている。 As shown in FIG. 1, the laser projection device 100 includes a laser light source 101, a prism 102, a diffusion plate 106 and a diffusion plate 111, and a transparent case 112.

レーザ光源101は、X軸正方向に光を射出する。射出する光の分布は、放射分布の中心がX軸と平行でガウシアン分布に近い放射分布を持つ。レーザ光源101の広がり角は、半値全角で5°以上で且つ、40°以下が望ましい。できれば、30°以下がよい。 The laser light source 101 emits light in the positive direction of the X-axis. The distribution of the emitted light has a radiation distribution close to a Gaussian distribution with the center of the radiation distribution parallel to the X axis. The spread angle of the laser light source 101 is preferably 5° or more and 40° or less in full width at half maximum. If possible, the angle should be 30° or less.

レーザ光源101の波長は、近赤外の単色の波長であり、発光時には人の目に感知されない。レーザ光源101は、YZ面内に複数のレーザ発光素子(図示省略)を近接して配列したものである。レーザ発光素子を複数配列して配置することで、空間的な干渉性を弱め、スペックルノイズを低減することができる。 The wavelength of the laser light source 101 is a near-infrared monochromatic wavelength, and is not detected by the human eye when emitting light. The laser light source 101 has a plurality of laser light emitting elements (not shown) arranged closely in the YZ plane. By arranging a plurality of laser emitting elements, it is possible to weaken spatial coherence and reduce speckle noise.

また、光源にレーザを用いることで、LEDよりも応答性を高くすることができ、発光時間の短いパルス状の光を形成することができる。これにより、平均エネルギーが同じでも、ピーク光強度を高くすることで、距離計測等において、遠くの物体まで照射し計測することができる。 Furthermore, by using a laser as a light source, the response can be made higher than that of an LED, and pulsed light with a short emission time can be formed. As a result, even if the average energy is the same, by increasing the peak light intensity, it is possible to irradiate and measure distant objects in distance measurement and the like.

プリズム102は、XY面内で断面が三角形であり、Z軸方向に断面形状が一定となった押し出し形状である。つまり、プリズム102の三角形の頂点を含む辺は、任意の頂角部のZ軸方向と平行である。 The prism 102 has a triangular cross section in the XY plane, and has an extruded shape with a constant cross-sectional shape in the Z-axis direction. In other words, the side including the apex of the triangle of the prism 102 is parallel to the Z-axis direction of any apex corner.

プリズム102の底面103は、レーザ光源101と対向するように配置され、YZ面と平行である。プリズム102の斜面104と斜面105からなる頂角θは、90°以下で、レーザ光源101からの光を全反射する角度で設定される。なお、頂角θは、あまり小さくすると強度が不足して破損しやすくなるため、5°以上が望ましい。 A bottom surface 103 of the prism 102 is arranged to face the laser light source 101 and is parallel to the YZ plane. The apex angle θ formed by the slopes 104 and 105 of the prism 102 is set to be 90° or less and at an angle that totally reflects the light from the laser light source 101. Note that if the apex angle θ is too small, the strength will be insufficient and it will be easy to break, so it is desirable that the apex angle θ is 5° or more.

プリズム102は、レーザ光源101の波長において透明であり、材質は、例えば、ポリカーボネートやアクリル等の樹脂や、あるいはガラスでもよい。 The prism 102 is transparent at the wavelength of the laser light source 101, and its material may be, for example, resin such as polycarbonate or acrylic, or glass.

レーザ光源101の発光中心に対して、プリズム102の底面の中心位置とプリズム102の頂点を結ぶラインは、若干ずれて配置されている。 With respect to the emission center of the laser light source 101, a line connecting the center position of the bottom surface of the prism 102 and the apex of the prism 102 is slightly shifted.

拡散板106は、薄い平板状の部材で構成されている。拡散板106は、プリズム102の斜面104と対向するように配置される。拡散板106の溝部108は、プリズム102側にあり、溝部108の反対面は、平面部107である。 The diffusion plate 106 is made of a thin flat member. Diffusion plate 106 is arranged to face slope 104 of prism 102 . The groove portion 108 of the diffusion plate 106 is located on the prism 102 side, and the surface opposite to the groove portion 108 is the flat portion 107.

拡散板111は、拡散板106と同様な拡散板であり、プリズム102の斜面105と対向するように配置され、拡散板111の溝部は、プリズム102側にある。 The diffusion plate 111 is a diffusion plate similar to the diffusion plate 106, and is arranged to face the slope 105 of the prism 102, and the groove portion of the diffusion plate 111 is on the prism 102 side.

拡散板106及び拡散板111は、レーザ光源101の波長において、透明である。材質は、例えば、ポリカーボネートやアクリル等の樹脂や、あるいはガラスでもよい。 The diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 are transparent at the wavelength of the laser light source 101. The material may be, for example, resin such as polycarbonate or acrylic, or glass.

拡散板106と拡散板111とは、所定の隙間dをあけて配置される。隙間dの間隔は、少なくとも0.05mm以上である。隙間dをあけることで、拡散板106及び拡散板111同士の接触によるゴミの発生や破損のリスクを低減できる。 Diffusion plate 106 and diffusion plate 111 are arranged with a predetermined gap d in between. The distance between the gaps d is at least 0.05 mm. By providing the gap d, it is possible to reduce the risk of dust generation and damage caused by contact between the diffusion plate 106 and the diffusion plate 111.

光量中心140は、プリズム102を射出する光の放射分布の光量中心を示す。拡散板106の面法線141は、光量中心140に対して、Z軸回りに時計回りに角度φをずらして配置される。角度φは、レーザ光源101の広がり角の1/2程度とする。 The light amount center 140 indicates the center of the light amount of the radiation distribution of light exiting the prism 102. The surface normal 141 of the diffuser plate 106 is shifted clockwise around the Z-axis by an angle φ with respect to the light amount center 140. The angle φ is approximately 1/2 of the spread angle of the laser light source 101.

透明ケース112は、XY面内の断面形状が三角形状に形成されている。透明ケース112と拡散板106、及び透明ケース112と拡散板111とは、対向する面が略平行である。 The transparent case 112 has a triangular cross-sectional shape in the XY plane. Opposing surfaces of the transparent case 112 and the diffusion plate 106, and of the transparent case 112 and the diffusion plate 111, are substantially parallel.

図2は、図1に示す仮想円Aで囲まれた部分を拡大した図である。図2に示すように、拡散板106の溝部108は、凹部109と凸部110が隣接して配置され、凹部109と凸部110の組み合わせが周期pで繰り返された形状となっている。 FIG. 2 is an enlarged view of a portion surrounded by a virtual circle A shown in FIG. As shown in FIG. 2, the groove 108 of the diffusion plate 106 has a shape in which a recess 109 and a projection 110 are arranged adjacent to each other, and the combination of the recess 109 and the projection 110 is repeated at a period p.

溝部108は、Z軸方向に断面形状が一定となった押し出し形状である。つまり、三角形状の頂点を含む辺は、任意の頂角部の溝部108の溝方向と平行である。 The groove portion 108 has an extruded shape with a constant cross-sectional shape in the Z-axis direction. In other words, the sides including the triangular vertices are parallel to the groove direction of the groove 108 at any apex corner.

凹部109と凸部110は、非球面形状であり、凹部109と凸部110とが接する部分の傾斜角は同じで、凹部109と凸部110とは、滑らかに接合されている。凹部109をZ軸中心に180度回転させた形状は、凸部110と相似形である。XY面において、凹部109と凸部110との接続部を通るライン145は、溝部108の法線方向と垂直である。なお、拡散板111の溝形状は、拡散板106と同様である。 The concave portion 109 and the convex portion 110 have an aspherical shape, the inclination angle of the portion where the concave portion 109 and the convex portion 110 contact is the same, and the concave portion 109 and the convex portion 110 are smoothly joined. The shape of the concave portion 109 rotated 180 degrees around the Z-axis is similar to the convex portion 110 . In the XY plane, a line 145 passing through the connection between the concave portion 109 and the convex portion 110 is perpendicular to the normal direction of the groove portion 108 . Note that the groove shape of the diffusion plate 111 is similar to that of the diffusion plate 106.

以下、レーザ投射装置100の動作について説明する。図3に示すように、レーザ光源101の射出光120は、プリズム102の底面103より入射して屈折し、光線121となる。プリズム102の頂角θは90°より小さく、斜面105で全反射するように設定されているので、光線121の大部分の光は、斜面105で全反射し、斜面105と対向する斜面104に入射する。 The operation of the laser projection device 100 will be described below. As shown in FIG. 3, the emitted light 120 from the laser light source 101 enters the prism 102 through the bottom surface 103 and is refracted to become a light beam 121. Since the apex angle θ of the prism 102 is smaller than 90° and is set to be totally reflected on the slope 105, most of the light ray 121 is totally reflected on the slope 105 and is reflected on the slope 104 opposite to the slope 105. incident.

光線121は、斜面104の法線方向に近い角度で入射するため、大部分の光が斜面104を透過し、プリズム102から射出する。プリズム102の斜面104から射出した光線121は、拡散板106の溝部108に入射する。 Since the light ray 121 is incident at an angle close to the normal direction of the slope 104, most of the light passes through the slope 104 and exits from the prism 102. The light beam 121 emitted from the slope 104 of the prism 102 enters the groove 108 of the diffuser plate 106.

図4は、図3に示す仮想円Bで囲まれた部分を拡大した図である。図4に示すように、溝部108は、凹部109と凸部110から構成されている。凹部109に入射した光線122は、凹レンズ効果によって拡散する。凸部110に入射した光線123は、一旦集光するが、その後、拡散する。 FIG. 4 is an enlarged view of the portion surrounded by the virtual circle B shown in FIG. As shown in FIG. 4, the groove portion 108 includes a concave portion 109 and a convex portion 110. The light ray 122 incident on the concave portion 109 is diffused due to the concave lens effect. The light beam 123 incident on the convex portion 110 is once condensed, but then diffused.

拡散板106の溝部108で拡散した光は、拡散板106の平面部107で屈折して射出する。拡散板106の屈折率は、空気より大きいので、拡散板106から射出する光は、さらに広がり角が広くなる。よって、凹部109と凸部110が配列された溝部108に入射した光線121は、屈折作用により光拡散させられる。なお、プリズム102の斜面104で全反射し、斜面105を透過し、拡散板111で拡散する光も同様である。 The light diffused by the groove portion 108 of the diffuser plate 106 is refracted by the flat portion 107 of the diffuser plate 106 and exits. Since the refractive index of the diffuser plate 106 is higher than that of air, the light emitted from the diffuser plate 106 has a wider spread angle. Therefore, the light ray 121 incident on the groove 108 in which the concave portion 109 and the convex portion 110 are arranged is diffused by the refraction effect. The same applies to light that is totally reflected on the slope 104 of the prism 102, transmitted through the slope 105, and diffused by the diffusion plate 111.

図5A~図5Cは、レーザ投射装置100からの射出光の図1におけるXY面での放射角分布を示す図である。角度は、図1においてZ軸回りにY軸からX軸へ回転する方向を正としている。 5A to 5C are diagrams showing the radiation angle distribution of the emitted light from the laser projection device 100 on the XY plane in FIG. 1. In FIG. 1, the direction of rotation from the Y-axis to the X-axis around the Z-axis is positive.

図5Aは、プリズム102の斜面104及び斜面105からの射出光の放射角分布を示す図である。図5Aに示すように、レーザ光源101の射出光は、プリズム102により、斜面104と斜面105からの射出光に対応した2つの光束130及び光束131に分かれる。 FIG. 5A is a diagram showing the radiation angle distribution of light emitted from the slopes 104 and 105 of the prism 102. As shown in FIG. 5A, the light emitted from the laser light source 101 is split by the prism 102 into two light beams 130 and 131 corresponding to the light emitted from the slopes 104 and 105.

図5Bは、拡散板106及び拡散板111の射出光の放射角分布を示す図である。プリズム102の斜面104及び斜面105から射出した光は、拡散板106及び拡散板111で拡散することで、光束132及び光束133となる。 FIG. 5B is a diagram showing the radiation angle distribution of the emitted light from the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111. The light emitted from the slopes 104 and 105 of the prism 102 becomes a light beam 132 and a light beam 133 by being diffused by the diffusion plate 106 and the diffusion plate 111.

拡散板106から拡散した光である光束132は、放射角分布の負方向に広がりを持つが、わずかに正方向に跨がるように拡散板106の広がり角を設定する。同様に、拡散板111から拡散した光である光束133は、放射角分布の正方向に広がりを持つが、わずかに負方向に跨がるように拡散板111の広がり角を設定する。 Although the light beam 132, which is the light diffused from the diffuser plate 106, has a spread in the negative direction of the radiation angle distribution, the spread angle of the diffuser plate 106 is set so that it slightly straddles the positive direction. Similarly, the beam 133, which is the light diffused from the diffuser plate 111, has a spread in the positive direction of the radiation angle distribution, but the spread angle of the diffuser plate 111 is set so that it slightly straddles the negative direction.

拡散板106からの射出光の光束134の放射角分布は、負方向側の光強度が高く、角度0°方向の光強度が低くなるようになっている(図5C参照)。これは、図2において、プリズム102の射出光の光量中心140が、拡散板106の溝部108の面法線141に対してXY面内で、角度φで入射することで生じる。 The radiation angle distribution of the luminous flux 134 of the emitted light from the diffuser plate 106 is such that the light intensity is high in the negative direction, and the light intensity in the 0° direction is low (see FIG. 5C). This occurs because, in FIG. 2, the center 140 of the amount of light emitted from the prism 102 is incident on the surface normal 141 of the groove 108 of the diffuser plate 106 at an angle φ within the XY plane.

プリズム102の射出光の光量中心140が、溝部108に対して角度φで入射することで、溝部108の斜面146に対しては、入射角が小さくなることで、屈折による光線角度変化が小さくなる。すなわち、拡散板106での拡散が小さくなる。溝部108の斜面146での屈折光は、放射角分布の負方向に拡散する光であるので、負方向の角度の広がりが小さくなる(図5Bの符号150参照)。 Since the light amount center 140 of the emitted light from the prism 102 is incident on the groove 108 at an angle φ, the angle of incidence becomes smaller with respect to the slope 146 of the groove 108, and the change in the angle of the light beam due to refraction is reduced. . That is, the diffusion at the diffusion plate 106 becomes smaller. Since the refracted light at the slope 146 of the groove portion 108 is light that diffuses in the negative direction of the radiation angle distribution, the angular spread in the negative direction becomes small (see reference numeral 150 in FIG. 5B).

一方、斜面147に対しては、入射角が大きくなることで、屈折による光線角度変化が大きくなる。すなわち、拡散板106での拡散が大きくなる。溝部108の斜面147での屈折光は、放射角分布の正方向側に拡散する光であるので、正方向側の角度の広がりが大きくなる(図5Bの符号151参照)。 On the other hand, as the incident angle increases with respect to the slope 147, the change in the angle of the light beam due to refraction increases. That is, the diffusion at the diffusion plate 106 increases. Since the refracted light at the slope 147 of the groove portion 108 is light that is diffused in the positive direction of the radiation angle distribution, the angle spread in the positive direction becomes large (see reference numeral 151 in FIG. 5B).

光量中心140が面法線141に対して角度φ傾斜していると、斜面146への光量は、斜面147より多くなり、かつ光拡散が小さくなるので、放射角度分布において、負方向の光強度は大きくなる。このため、拡散板106の射出光の放射角度分布は負方向の光強度が強くなる。なお、拡散板111からの射出光において、正方向側の光強度が強くなるのも同様である。 When the light amount center 140 is inclined at an angle φ with respect to the surface normal 141, the amount of light to the slope 146 is larger than that to the slope 147, and the light diffusion is smaller. Therefore, in the radiation angle distribution, the light intensity in the negative direction becomes larger. Therefore, the radiation angle distribution of the light emitted from the diffuser plate 106 has a strong light intensity in the negative direction. Note that, in the light emitted from the diffuser plate 111, the light intensity on the forward direction side is similarly increased.

図5Cは、拡散板106の光束132と拡散板111の光束133を重ね合わせたときの、レーザ投射装置100としての放射角分布である。拡散板106から拡散した光束132は、角度マイナス方向だけでなく、一部、正方向の角度まで広がるように設定される(図5B参照)。同様に、拡散板111からの拡散した光束133は、角度方向正方向だけでなく、一部、負方向の角度まで広がるように設定される(図5B参照)。 FIG. 5C shows the radiation angle distribution of the laser projection apparatus 100 when the light beam 132 of the diffuser plate 106 and the light beam 133 of the diffuser plate 111 are superimposed. The light beam 132 diffused from the diffuser plate 106 is set so as to spread not only in the negative direction but also partially in the positive direction (see FIG. 5B). Similarly, the diffused light beam 133 from the diffuser plate 111 is set to spread not only in the positive angular direction but also partially in the negative angular direction (see FIG. 5B).

このため、図5Cに示すように、光束132と光束133とを重ね合わせることで、光束134のように、0°近傍の光量が少し低く、正方向と負方向で光強度の高い放射分布を得ることができる。 Therefore, as shown in FIG. 5C, by superimposing the light beams 132 and 133, we can create a radiation distribution where the light intensity near 0° is a little low and the light intensity is high in the positive and negative directions, as in the case of the light beam 134. Obtainable.

このような放射分布とすることで、0°方向、すなわち、レーザ投射装置100の正面方向より正方向と負方向、すなわち、周辺部を観察したときに有利になる。拡散板106及び拡散板111の拡散による広がり角を、それぞれ90°以上とすることで、合成される広がり角を180°以上とすることができる。 Such a radiation distribution is advantageous when observing the positive direction and the negative direction, that is, the peripheral area, from the 0° direction, that is, the front direction of the laser projection device 100. By setting the spread angles due to diffusion of the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 to 90° or more, the combined spread angle can be 180° or more.

一方、XZ面内の放射分布は、レーザ光源101の広がり角のままである。自動車等にレーザ投射装置100を搭載する場合、XZ面を垂直方向に、XY面を水平方向とすることで、垂直方向にはあまり光を広げずに、水平面内に広げることで、光を効率良く照射することができる。 On the other hand, the radiation distribution in the XZ plane remains the same as the spread angle of the laser light source 101. When installing the laser projection device 100 in a car or the like, by setting the XZ plane in the vertical direction and the XY plane in the horizontal direction, the light does not spread much in the vertical direction but spreads in the horizontal plane, increasing the efficiency of light. It can be irradiated well.

ところで、レーザ光源101のレーザクラスを算出する際には、投射光学系の拡散板でのビーム径が、レーザクラス計算に関与してくる。本実施形態では、プリズム102で光を2分割して、それぞれを拡散させる構成としているので、見かけ上、レーザ光源101を2つに分けたことになり、レーザクラス計算においてレーザクラス1となるレーザ光源出力の上限を向上させることができる。 By the way, when calculating the laser class of the laser light source 101, the beam diameter at the diffuser plate of the projection optical system is involved in the laser class calculation. In this embodiment, since the prism 102 splits the light into two and diffuses each, it appears that the laser light source 101 is divided into two, and in the laser class calculation, the laser becomes laser class 1. The upper limit of light source output can be improved.

拡散板106及び拡散板111は、金型を用いた射出成型により製作することができる。本実施形態では、拡散板106及び拡散板111の溝部108は、滑らかな曲線で、押し出し形状をしているので、例えば、シェーパー加工で容易に短時間での機械加工で金型を製作し、射出成型により安価に拡散板を製作することができる。また、拡散板106及び拡散板111の製造工程での摩耗、成形の転写不良による変形の影響を受けにくい。 The diffusion plate 106 and the diffusion plate 111 can be manufactured by injection molding using a mold. In this embodiment, the grooves 108 of the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 have smooth curves and extruded shapes, so that the mold can be easily manufactured by machining in a short time using a shaper, for example. Diffusing plates can be manufactured at low cost by injection molding. Further, the diffusion plates 106 and 111 are less susceptible to deformation due to abrasion during the manufacturing process and poor transfer of molding.

また、拡散板106及び拡散板111の溝部108は、滑らかな曲線で形成されているので、例えば、エッジなどで局所的に傾斜角が大きくなって、エッジ付近での不要な反射や迷光となることがない。また、エッジ部分の摩耗により予期しない拡散の広がりができ、拡散板の光効率が低下しやすくなることもない。 Furthermore, since the grooves 108 of the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 are formed with smooth curves, the angle of inclination becomes locally large at the edges, for example, resulting in unnecessary reflection or stray light near the edges. Never. Further, the light efficiency of the diffuser plate does not tend to decrease due to unexpected spread of diffusion due to wear of the edge portions.

拡散板106と拡散板111とは、隙間dをあけて配置されるが、レーザ光源101からの光は、プリズム102で2つに分けられて角度を持った光となるため、プリズム102からの射出光は、0°方向への光はほとんど生じない(図5A参照)。このため、拡散板106と拡散板111との隙間dからの漏れ光はほとんど生じない。 The diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 are arranged with a gap d between them, but since the light from the laser light source 101 is divided into two by the prism 102 and becomes light with an angle, the light from the prism 102 is Almost no emitted light is directed in the 0° direction (see FIG. 5A). Therefore, almost no light leaks from the gap d between the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111.

ところで、一般的に、組み立て時に誤差が生じてしまうと、レーザ光源101の放射分布中心とプリズム102の対称軸とを一致させることが難しい。 By the way, in general, if an error occurs during assembly, it is difficult to align the center of the radiation distribution of the laser light source 101 with the axis of symmetry of the prism 102.

これに対し、本実施形態では、レーザ光源101の放射分布がガウシアン分布で少なくとも半値全角で5°以上の広がりを持ち、拡散板106と拡散板111の放射分布が角度0°において、重なっている。 On the other hand, in the present embodiment, the radiation distribution of the laser light source 101 is a Gaussian distribution and has a spread of at least 5° or more in full width at half maximum, and the radiation distributions of the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 overlap at an angle of 0°. .

そのため、レーザ光源101の放射分布中心と、プリズム102の対称軸とがずれても、角度0°方向の光強度が0となりにくい構成となっている。ここで、レーザ光源101の放射分布の広がり角を大きくするほど、レーザ光源101の放射分布中心と、プリズム102の対称軸のずれの許容値を大きくとることができる。 Therefore, even if the center of the radiation distribution of the laser light source 101 and the axis of symmetry of the prism 102 deviate, the light intensity in the 0° direction is unlikely to become 0. Here, as the spread angle of the radiation distribution of the laser light source 101 is increased, the tolerance for the deviation between the center of the radiation distribution of the laser light source 101 and the axis of symmetry of the prism 102 can be increased.

このような構成によれば、レーザ光源101の射出光を、プリズム102で2つに分け、2つの屈折を用いる拡散板106及び拡散板111で拡散させ、拡散光を重ね合わせることで、拡散板106及び拡散板111での光ロスが小さく、180°以上の広がり角の光を射出することができる。 According to such a configuration, the emitted light from the laser light source 101 is divided into two by the prism 102, diffused by the diffusing plate 106 and the diffusing plate 111 that use two refractions, and the diffused light is overlapped, so that the diffusing plate 106 and the diffuser plate 111 are small, and light with a spread angle of 180° or more can be emitted.

また、レーザ光源101の光源像を2つに分けることで、見掛けの光源発光サイズを大きくし、レーザクラス1となるレーザ出力を高くすることができるので、明るい照明が可能なレーザ投射装置を提供することができる。 Furthermore, by dividing the light source image of the laser light source 101 into two, the apparent light source emission size can be increased and the laser output for laser class 1 can be increased, thereby providing a laser projection device capable of bright illumination. can do.

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
《Other embodiments》
The embodiment described above may have the following configuration.

本実施形態では、レーザ光源101は、レーザ発光素子を複数配列し、空間的な干渉性を下げたものを用いたが、マルチモードタイプの半導体レーザなどの空間的な干渉性の低いものを用いてもよい。また、発光ダイオードや発光径の小さな発光ダイオード(SLD)を用いてもよい。 In this embodiment, the laser light source 101 is one in which a plurality of laser light emitting elements are arranged to reduce spatial coherence, but a laser light source 101 with low spatial coherence, such as a multi-mode semiconductor laser, is used. It's okay. Alternatively, a light emitting diode or a light emitting diode (SLD) with a small emission diameter may be used.

なお、スペックルノイズが増えても構わなければ、シングルモードタイプの半導体レーザでもよい。また、装置が大型化してもよければ、HeNe、アルゴンガスレーザなどを用いてもよい。 Note that a single mode type semiconductor laser may be used if an increase in speckle noise is not a problem. Furthermore, if the device does not need to be large-sized, HeNe, argon gas laser, or the like may be used.

また、本実施形態では、レーザ光源101の波長を近赤外としたが、測定光が見えても構わないときは、可視光を用いてもよい。あるいは、紫外光を用いても構わない。なお、光源をレーザ光源101としたが、応答特性が悪くなるが、LEDを用いてもよい。 Further, in this embodiment, the wavelength of the laser light source 101 is near infrared, but visible light may be used if it is acceptable for the measurement light to be visible. Alternatively, ultraviolet light may be used. Note that although the laser light source 101 is used as the light source, an LED may also be used, although the response characteristics will be poor.

また、本実施形態において、拡散板106及び拡散板111の平面部107に反射防止膜を形成し、表面反射を低減させてもよい。 Further, in this embodiment, an antireflection film may be formed on the flat portions 107 of the diffusion plate 106 and the diffusion plate 111 to reduce surface reflection.

また、本実施形態において、拡散板106と拡散板111とは、同じ広がり角でもよいし、溝部108の凹部109と凸部110の形状を変更して、異なる広がり角としてもよい。 Further, in this embodiment, the diffuser plate 106 and the diffuser plate 111 may have the same spread angle, or may have different spread angles by changing the shape of the recess 109 and the protrusion 110 of the groove 108.

また、本実施形態において、プリズム102の断面形状は、二等辺三角形でもよいし、不等辺三角形でもよい。 Further, in this embodiment, the cross-sectional shape of the prism 102 may be an isosceles triangle or a scalene triangle.

また、本実施形態では、透明ケース112の断面を三角形状としたが、この形態に限定するものではない。例えば、レンズ効果で放射角分布が若干変化するが、図1のXY面内において半円となる円筒形状でもよい。 Further, in the present embodiment, the transparent case 112 has a triangular cross section, but is not limited to this shape. For example, although the radiation angle distribution changes slightly due to a lens effect, it may have a cylindrical shape that is a semicircle in the XY plane of FIG. 1.

また、本実施形態において、XZ面方向に光を広げるために、レーザ光源101の直後にXZ面内で光を拡散させる拡散板を配置してもよい。 Further, in this embodiment, in order to spread the light in the XZ plane direction, a diffusion plate that diffuses the light in the XZ plane may be placed immediately after the laser light source 101.

本発明の投射装置は、拡散板での光ロスが小さく、広い放射角の光を射出でき、投射装置の射出面における見かけのビームを分けて、レーザクラス1の範囲内でレーザ光源出力を高くすることができるので、屋外での車載センサや防犯センサ、屋内でのエアコンや照明等の家電の距離センサ用光源にも適用できる。 The projection device of the present invention has low light loss at the diffuser plate, can emit light with a wide radiation angle, and divides the apparent beam at the exit surface of the projection device to increase the laser light source output within the laser class 1 range. Therefore, it can be applied to outdoor vehicle sensors and security sensors, and indoor light sources for distance sensors in home appliances such as air conditioners and lighting.

100 レーザ投射装置
101 レーザ光源
102 プリズム
103 底面(第1面)
104 斜面(第2面)
105 斜面(第3面)
106 拡散板
108 溝部
109 凹部
110 凸部
111 拡散板
112 透明ケース
100 Laser projection device 101 Laser light source 102 Prism 103 Bottom surface (first surface)
104 Slope (second surface)
105 Slope (3rd surface)
106 Diffusion plate 108 Groove portion 109 Recessed portion 110 Convex portion 111 Diffusion plate 112 Transparent case

Claims (9)

所定のX軸方向に光を射出する光源と、
前記X軸方向に直交する2つの方向をそれぞれY軸方向及びZ軸方向としたときに、XY面内で断面が三角形状のプリズムと、を備え、
前記プリズムのYZ面に平行で前記光源からの光が入射する面を第1面とし、前記第1面とは異なる2つの斜面をそれぞれ第2面及び第3面とし、
前記プリズムの前記第2面及び前記第3面にそれぞれ対向して配置された2つの拡散板を備え、
前記プリズムの前記第2面及び前記第3面がなす頂角は、5°以上90°以下であり、
前記第2面で全反射した光を前記第3面に入射させる一方、前記第3面で全反射した光を前記第2面に入射させることで、前記光源からの光が2つに分かれるようにし、
前記第2面及び前記第3面にそれぞれ対向する2つの前記拡散板に光を入射させて拡散透過させ、拡散した2つの光を重ね合わせる
ことを特徴とする投射装置。
a light source that emits light in a predetermined X-axis direction;
a prism having a triangular cross section in the XY plane, where the two directions perpendicular to the X-axis direction are the Y-axis direction and the Z-axis direction, respectively;
A surface parallel to the YZ plane of the prism and on which light from the light source enters is a first surface, and two slopes different from the first surface are second and third surfaces, respectively.
comprising two diffusion plates disposed opposite to each other on the second surface and the third surface of the prism,
The apex angle formed by the second surface and the third surface of the prism is 5° or more and 90° or less,
The light totally reflected by the second surface is made to enter the third surface, and the light totally reflected by the third surface is made to be made to enter the second surface, so that the light from the light source is split into two. west,
Light is incident on the two diffusion plates facing the second surface and the third surface, and is diffused and transmitted, and the two diffused lights are superimposed.
A projection device characterized by:
請求項1において、
前記拡散板の拡散面は、前記プリズムと対向する側に設けられ、
前記拡散板における前記拡散面と反対側の面は、平面状に形成されていることを特徴とする投射装置。
In claim 1,
A diffusion surface of the diffusion plate is provided on a side facing the prism,
A projection device characterized in that a surface of the diffusion plate opposite to the diffusion surface is formed into a planar shape.
請求項2において、
前記拡散板の拡散面は、凹部と凸部とが隣接して複数配置された溝状に形成されていることを特徴とする投射装置。
In claim 2,
A projection device characterized in that the diffusion surface of the diffusion plate is formed in the shape of a groove in which a plurality of concave portions and convex portions are arranged adjacent to each other.
請求項3において、
前記プリズムは、断面形状が一定となった押し出し形状に形成され、
前記拡散板の拡散面の溝部は、前記プリズムの押し出し方向と略平行に延びていることを特徴とする投射装置。
In claim 3,
The prism is formed into an extruded shape with a constant cross-sectional shape,
A projection device characterized in that the groove portion of the diffusion surface of the diffusion plate extends substantially parallel to the extrusion direction of the prism.
請求項3又は4において、
前記拡散板の溝方向に略平行な方向の光拡散角が、該拡散板の溝方向に略垂直な方向の光拡散角よりも小さいことを特徴とする投射装置。
In claim 3 or 4,
A projection device characterized in that a light diffusion angle in a direction substantially parallel to the groove direction of the diffusion plate is smaller than a light diffusion angle in a direction substantially perpendicular to the groove direction of the diffusion plate.
請求項1乃至5のうち何れか1つにおいて、
前記2つの拡散板は、所定の隙間をあけて配置されていることを特徴とする投射装置。
In any one of claims 1 to 5,
The projection device is characterized in that the two diffusion plates are arranged with a predetermined gap between them.
請求項1乃至6のうち何れか1つにおいて、
前記2つの拡散板の光の広がり角は、それぞれ90°以上であることを特徴とする投射装置。
In any one of claims 1 to 6,
A projection device characterized in that each of the two diffusion plates has a spread angle of 90° or more.
請求項1乃至7のうち何れか1つにおいて、
前記光源、前記プリズム、及び前記2つの拡散板の外側に配置された透明カバーを備え、
前記透明カバーは、前記拡散板の射出光が入射し且つ該拡散板と対向する略平行な面を有することを特徴とする投射装置。
In any one of claims 1 to 7,
a transparent cover disposed outside the light source, the prism, and the two diffusion plates;
The projection device is characterized in that the transparent cover has a substantially parallel surface on which the light emitted from the diffuser plate enters and faces the diffuser plate.
請求項1乃至8のうち何れか1つにおいて、
前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする投射装置。
In any one of claims 1 to 8,
A projection device characterized in that the light source is a laser light source.
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